基本仪器的使用
一、高考热点：
1、 长度测量仪器：刻度尺、游标卡尺、螺旋测微器；
2、 时间测量仪器：打点计时器和秒表；
3、 电路测量仪器：安培表、伏特表、多用电表；
4、控制电路仪器：电阻箱和滑动变阻器。
二、重点讲析：
要求：会正确使用仪器，会准确读数、会记录测量结果。知道仪器的结构、知道仪器使用的注意事项等。
1、游标卡尺
10分度的游标卡尺：游标上相邻两个刻度间的距离为0.9mm，比主尺上相邻两个刻度间距离小0.1mm。读数时先从主尺上读出厘米数和毫米数，然后用游标读出0.1毫米位的数值：游标的第几条刻线跟主尺上某一条刻线对齐，0.1毫米位就读几（不能读某）。其读数准确到0.1mm。同理20分度的游标卡尺，其读数准确到0.05mm。50分度的游标卡尺读数准确到0.02mm。读数方法相同。
注：（1）主尺上的读数，应以游标的0刻度左端上主尺的刻度为准；（2）看清游标的精确度；（3）游标卡尺都是根据刻线对齐来读数的， 所以都不再往下一位估读。
例1、读出下列游标卡尺测量的读数
⑴ ⑵
⑶
答案：⑴2.98cm ⑵6.170cm ⑶1.050cm
2、螺旋测微器
固定刻度上的最小刻度为0.5mm（半毫米刻度）；可动刻度每旋转一圈前进（或后退）0.5mm。在可动刻度的一周上平均刻有50条刻线，所以相邻两条刻线间代表0.01mm。读数时，从固定刻度上读取整、半毫米数，然后从可动刻度上读取剩余部分（因为是10分度，所以在最小刻度后必须再估读一位），再把两部分读数相加，得测量值。
注：（1）看半刻度是否露出；（2）可动刻度要估读。
例2、 读出下列螺旋测微器测量的读数。
⑴ ⑵
答案：⑴0.642mm ⑵10.294mm
例3、用螺旋测微器测圆柱体的直径时，示数如图所示，此示数为_______mm。
解析：本题解答的关键是掌握螺旋测微器的原理和读数规则。从固定刻度部分读出毫米数和半毫米数，读数为8mm；再从可动刻度上读出小数部分，一定要估读，为0.116，将两部分相加为8.116mm.（在8.116± 0 . 002 范围内都给分）.
例4、一种游标卡尺，它的游标尺上有50个小的等分刻度，总长度为49mm。用它测量某物体长度，卡尺示数如图所示，则该物体的长度是_______cm。
解析：解答游标卡尺的读数的关键是掌握游标卡尺的原理和读数规则。从主尺上读出整毫米数，读数为41mm；找到游标尺上与主尺对齐的格数，为10格，50分度的卡尺的精确度乘以格数为0.02mm×10=0.20mm；最后将二者相加，得测量结果为41.20mm即4.120cm。
3、多用电表
多用电表的使用方法：
⑴使用前应查看指针是否指在刻度盘左端零刻线处。如不在，应进行机械调零。方法是用小螺丝刀轻旋表头正下方中央处的调零螺丝，使指针指左端零刻线。
⑵根据被测物理量及其数量级将选择开关旋到相应的位置。读数时还要注意选用刻度盘上对应的量程刻度。（如测量20mA左右的直流电流，应将选择开关对准左边100mA量程处；在刻度盘上，应该看最下一行刻度，即满偏刻度为10的刻度线，从刻度盘读出数据后还应再乘10，得测量结果。）
⑶使用欧姆挡时，先选好倍率，再进行欧姆调零。方法是：将红、黑表笔短接，调节欧姆调零旋钮，使指针指右端零刻线处。
用多用电表的欧姆挡测电阻的操作步骤是：
①选倍率。一般要选择比被测电阻的估计值低一个数量级的倍率。如估计值为200Ω就应该选×10的倍率。
②进行欧姆调零。
③将红黑表笔接被测电阻两端进行测量。
④将指针示数乘以倍率，得测量值。
⑤将选择开关扳到OFF或交流电压最高挡。
⑷使用多用电表时，两只手只能握住表笔的绝缘棒部分，不能接触表笔上的金属部分（首先是为了安全；其次两手之间的人体电阻将与被测电路并联，改变了电路结构）。
⑸不论使用多用电表的哪个挡，电流总是从多用电表的正接线柱（红表笔）进入电表，而从负接线柱（黑表笔流出）。
注：用欧姆挡测电阻，如果指针偏转角度太小（即指针所指的刻度值太大），应该增大倍率重新调零后再测；如果指针偏转角度太大（即指针所指的刻度值太小），应该减小倍率重新调零后再测。
例5．多用电表表头的示意图如右。在正确操作的情况下：
⑴若选择开关的位置如灰箭头所示，则测量的物理量是______，测量结果为___________。
⑵若选择开关的位置如白箭头所示，则测量的物理量是______，测量结果为___________。
⑶若选择开关的位置如黑箭头所示，则测量的物理量是______，测量结果为___________。
⑷若选择开关的位置如黑箭头所示，正确操作后发现指针的偏转角很小，那么接下来的正确操作步骤应该依次为：________，_________，_________。
⑸全部测量结束后，应将选择开关拨到______或者_______。
⑹无论用多用电表进行何种测量（限于直流），电流都应该从色_____表笔经______插孔流入电表。
答案：⑴直流电压，1.24V。⑵直流电流，49mA。⑶电阻，17kΩ。⑷该用×1kΩ倍率，重新调零，将红黑表笔分别接触被测电阻的两根引线，读出指针所指刻度，再乘以倍率得测量值。⑸OFF，交流电压500V档位置。⑹红，正。
4、安培表和伏特表
例6、右图是电压表的刻度盘。若当时使用的是该表的0-3V量程，那么电压表读数为多少？若当时使用的是该表的0-15V量程，那么电压表度数又为多少？
解析：0-3V量程最小刻度是0.1V，是10分度的，因此要向下估读一位，读1.15V（由于最后一位是估读的，有偶然误差，读成1.14V-1.16V之间都算正确）。0-15V量程最小刻度为0.5V，不是10分度的，因此只要求读到0.1V这一位，所以读5.7V（5.6V-5.8V之间都算正确）。
练习：读出下列电表的测量值．
⑴ ⑵
接0~3V量程时读数为_______V． 接0~3A量程时读数为_______A．
接0~15V量程时读数为______V． 接0~0.6A量程时读数 A．
答案： 2.16V 10.5V 0.79A
0.16A
基本实验方法
一、高考热点：
实验原理的设计方法：控制变量法、等效替代法、理想化方法、放大法；
实验误差的控制方法：多次测量法、累积法；
实验数据的测量方法：直接和间接测量；
实验数据的处理方法：直接比较法、平均值法、列表法、图象法。
二、实验题型分析
1、 实验步骤
实验必须按照一定的步骤或程序进行，才能达到预期的效果和实现预期的目的。因此，在实验前，必须正确、科学、合理地安排实验步骤。解答这类问题的实验依据是实验要求和实验原理。
2、电路的连接
实验连线是一类考查学生实验技能和操作能力较为有效的题型。连线时一定要按照电路图。
注意：①连线时把导线接在接线柱上；②电表的正负接，从电表的正接流入，从负接流出；③滑动变阻器应处于有效的控制状态。
例7 利用图1所示的电路测量电流表mA的内阻RA。图中R1、R2为电阻，K1、K2为电键，B是电源（内阻可忽略）。
根据图1所给出的电路原理图，在图2的实物图上连线。
答案：电路见图
3、仪器的选择
器材选择的原则：
1．准确性原则：选用电表量程应可能减小测量值的相对误差，电压表、电流表在使用时尽可能使指针接近满量程，若指针偏转不到满偏角度的１/3，读数误差较大。
2．安全性原则：通过电源，电表，滑动变阻器，用电器的电流不能超过其允许的最大电流。
3．便于操作原则：选择控制电路时，既要考虑供电电压的变化范围是否满足实验要求，又要注意便于操作。
4、实验电路选择
（1）测量电路——电流表内外接法选取
①电路的对比
连接方式 | 误差来源 | 测量值与真实值关系 | 适用范围 |
外接法 | 电压表分流 | 电流表的读数大于流过待测的电流，故：R测<R真 | 测小电阻 |
内接法 | 电流表分压 | 电压表读数大于待测电阻两端的电压，故：R测<R真 | 测大电阻 |
②判断方法
a、直接比较法：当待测电阻Rx较小且远小于电压表内阻Rv时，应选用外接法；当待测电阻Rx较大且远大于电流表内阻RA时，应选用内接法。
b、临界值法：当待测电阻Rx<时，视Rx为小电阻，应选用外接法；当Rx>时，视Rx为大电阻，应选用内接法；当Rx＝时，两种接法均可。
（2）控制电路——滑动变阻器分压式、限流于接法选取
①电路的对比
调节范围 | 限流式电路 | 分压式电路 |
电压调节范围 |
| ０→U |
电流调节范围 |
| ０→ |
说明：U为电源端电压，R为滑动变阻器最大电阻，Rx为待测电阻阻值。
②判断方法
a负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用。
b要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续可调，须用分压式接法。
c采用限流电路时，电路中的最小电流（电压）仍超过电流表的量程或超过用电器的额定电流（电压）时，应采用变阻器的分压式接法。
d负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不大，并且电压表、电流表示数变化不要求从零开始起调，可用限流式接法。
e两种电路均可使用时应优先用限流式接法，因为限流式接法总功率较小。
例8某同学用图所示电路，测绘标有“3.8 V,0.3 A”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的图象，除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择:
电流表：A:(量程100 mA,内阻约2 );
A:(量程0.6 A,内阻约0.3
);
电压表：V1(量程5 V,内阻约5 );
V2(量程15 V,内阻约15 );
电源：E1(电动势为1.5 V，内阻为0.2 );
E2(电动势为4 V,内阻约为0.04 ).
为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表___________，电压表______________,电源___________________.(填器材的符号)
解析：据小灯泡的额定电压和额定电流的大小，可选择A2、V1和E2。
5、实验数据处理
处理实验数据是中学实验的一个重要环节。通过对实验数据的处理和分析，可以得到物理量之间的内在规律。在考试中对用表格法、图象法、平均值法、描迹法等数据处理方法都有较高的要求和体现。
《大纲》要求：能独立完成"知识内容表"中所列的实验，会记录、处理实验数据，并得出结论。在中学阶段，实验数据的处理常用计算法和图象法。
例9、某同学用图所示装置测量重力加速度g,所用交流电频率为50 Hz．在所选纸带上取某点为0号计数点，然后每3个点取一个计数点，所以测量数据及其标记符号如图所示．
该同学用两种方法处理数据（T为相邻两计数点的时间间隔）：
方法A：由……，取平均值g=8.667
m/s2；
方法B：由取平均值g=8.673
m/s2．
从数据处理方法看，在S1、S2、S3、S4、S5、S6中，对实验结果起作用的，方法A中有__________；方法B中有__________．因此，选择方法___________（A或B）更合理，这样可以减少实验的__________（系统或偶然）误差．本实验误差的主要来源有____________（试举出两条）．
解析：按方法A：……，，求平均值：，所以只用到了： S1、S6．
按方法B计算加速度，为了减少误差，常常用逐差法： ，所以只用到了：S1, S2, S3, S4, S5, S6．因此选择B更合理，这样可以减少实验的偶然误差．阻力（空气阻力，振针的阻力，限位孔的阻力，复写纸的阻力等），交流电频率波动，长度测量，数据处理方法等．
6、实验误差的分析
（1）误差是指测量值与真实值的差异。
（2）误差可分：
①系统误差：系统误差的特点是在多次重复同一实验时，误差总是同样地偏大或偏小。
②偶然误差：偶然误差总是有时偏大，有时偏小，并且偏大和偏小的机会相同。减小偶然误差的方法，可以多进行几次测量，求出几次测量的数值的平均值。这个平均值比某一次测得的数值更接近于真实值。
（3）百分误差：真实值与测量值之差的绝对值与真实值之比：%。
7、实验方案的综合设计。
例10、检测一个标称值为5的滑动变阻器。可供使用的器材如下：
A待测滑动变阻器及。，全电阻约5
B．电流表A1，量程0．6A，内阻约0.6
C．电流表A2，量程3A，内阻约0.12
D．电压表V1，量程15 V，内阻约15 k
E．电压表V2，量程3 V，内阻约3 k
P．滑动变阻器只，全电阻约20
C．直流电源正，电动势3 V，内阻不计
H．电键S、导线若干
(1)用伏安法测定的全电阻值，所选电流表为 (填“A1”或“A2”)，所选电压表为 (填“V1”或“V2”)．
(2)画出测量电路的原理图，并根据所画原理图将下图中实物连接成测量电路。
解析：因电源电动势为3 V，电压表选V2，当电阻上加上3 V电压时，电流最大为0.6A，电流表选A1。
根据电流表内外接法选取的原则可知，电流表应外接，而滑动变阻器限流和分压两种方式均可。因此电路有两种方案（见上图）。
创新型实验
高考实验题并不局限于教材中的学生实验，而是在教材实验的基础上，有所变化，有所创新。注重考查学生的实验迁移能力和创新能力。这类题要求学生面对新问题（或变形题）能熟练应用实验知识，实验的基本技能和基本的实验方法，灵活的解答。平时必须对教材中或考试大纲要求的实验熟练的掌握。
例11 甲同学设计了如图所示的电路测电源电动势 E 及电阻R1和 R2阻值。实验器材有：待测电源 E （不计内阻），待测电阻 R1 ，待测电阻 R2, 电压表V（量程为 1.5V ，内阻很大），电阻箱 R (0一99.99Ω ) 单刀单掷开关 S1 ，单刀双掷开关S2，导线若干。
① 先测电阻 R1的阻值。请将甲同学的操作补充完整：闭合S1，将S2切换到 a ，调节电阻箱，读出其示数r 和对应的电压表示数 Ul , 保持电阻箱示数不变，读出电压表的示数。则电阻 R1的表达式为
R1＝_____________________________。
② 甲同学已经测得电阻 Rl ＝ 4.8Ω ，继续测电源电动势E 和电阻R2 的阻值。该同学的做法是：闭合S1，将S2切换到 a，多次调节电阻箱，读出多组电阻箱示数 R 和对应的电压表示数 U，由测得的数据，绘出了如图所示的
－ 图线，则电源电动势E＝___________________V，电阻 R2 = _________Ω。
③ 利用甲同学设计的电路和测得的电阻 Rl ，乙同学测电源电动势 E 和电阻 R2的阻值的做法是：闭合 S 1，将S2 切换到 b ，多次调节电阻箱，读出多组电阻箱示数 R 和对应的电压表示数U ，由测得的数据，绘出于相应的－ 图线，根据图线得到电源电动势 E 和电阻 R2 。这种做法与甲同学的做法比较，由于电压表测得的数据范围___________（选填“较大”、“较小”或“相同” ) ，所以___________同学的做法更恰当些。
常见的测量电阻的方法总结
例12 从下表中选出适当的实验器材，设计一电路来测量电流表的内阻r1．要求方法简捷，有尽可能高的测量精度，并能测得多组数据．
(1)画出电路图，标明所用器材的代号．
(2)若选测量数据中的一组来计算r1，则所用的表达式r1＝______________________，式中各符号的意义是：________________________________________________．
【解析】根据所列仪器的特点，电流表的内阻已知，由此可采用两电流表并联．因为两电流表两端的电压相等，即可省去电压的测量，从而减小实验误差，由I2r2＝I1r1，得r1＝．
[答案] (1)电路图如图所示
(2) I1、I2分别为、的示数
【点评】①分析题意可知需测量电流表的内阻，按常规方法应用伏安法，将电压表并联在待测电流表两端，但经分析可知即使该电流表满偏，其两端的电压也仅为0.4 V，远小于量程10 V．这恰恰就是本题设计考核学生应变能力的“陷阱”．
②此题也可理解为“将已知内阻的电流表当成电压表使用”，这实际也是伏安法的一种推广形式．
例13 有一根圆台状匀质合金棒如图7－9甲所示，某同学猜测其电阻的大小与该合金棒的电阻率ρ、长度L和两底面直径d、D有关．他进行了如下实验：
图7－9
(1)用游标卡尺测量合金棒的两底面直径d、D和长度L．图6－8乙中的游标卡尺(游标尺上有20个等分刻度)的读数L＝________cm．
(2)测量该合金棒电阻的实物电路如图6－8丙所示(相关器材的参数已在图中标出)．该合金棒的电阻约为几个欧姆．图中有一处连接不当的导线是________．(用标注在导线旁的数字表示)
图7－9丙
(3)改正电路后，通过实验测得合金棒的电阻R＝6.72 Ω．根据电阻定律计算电阻率为ρ、长为L、直径分别为d和D的圆台状合金棒的电阻分别为Rd＝13.3 Ω、RD＝3.38 Ω．他发现：在误差允许范围内，电阻R满足R2＝Rd·RD，由此推断该圆台状合金棒的电阻R＝________．(用ρ、L、d、D表述)
【解析】(1)游标卡尺的读数，按步骤进行则不会出错．首先，确定游标卡尺的精度为20分度，即为0.05 mm；然后以毫米为单位从主尺上读出整毫米数99.00 mm，注意小数点后的有效数字要与精度一样；再从游标尺上找出对的最齐一根刻线，精度×格数＝0.05×8 mm＝0.40 mm；最后两者相加，根据题目单位要求换算为需要的数据，99.00 mm＋0.40 mm＝99.40
mm＝9.940 cm．
(2)本实验为测定一个几欧姆的电阻，在用伏安法测量其两端的电压和通过电阻的电流时，因为安培表的内阻较小，为了减小误差，应用安培表外接法，⑥线的连接使用的是安培表内接法．
(3)审题是关键，弄清题意也就能够找到解题的方法．根据电阻定律计算电阻率为ρ、长为L、直径分别为d和D的圆柱状合金棒的电阻分别为：
Rd＝13.3 Ω，RD＝3.38 Ω
即Rd＝ρ，RD＝ρ
而电阻R满足R2＝Rd·RD
将Rd、RD代入得：R＝．
[答案] (1)9.940 (2)⑥ (3)
能力演练
1．(16分)Ⅰ．在“利用自由落体运动验证机械能守恒定律”的实验中，若打点计时器所接交变电流的频率为50 Hz，得到的甲、乙两条实验纸带(如图所示)中应选________纸带更好．若已测得点2到点4间的距离为s1，点0到点3间的距离为s2，打点周期为T，要验证重物从开始下落到打点计时器打下点3这段时间内机械能守恒，则s1、s2和T应满足的关系为：T＝________________．
Ⅱ．要测量一只量程已知的电压表的内阻，所备器材如下：
甲
A．待测电压表(量程为3 V，内阻未知)；
B．电流表(量程为3 A，内阻为0.01 Ω)；
C．定值电阻R(阻值为2 kΩ，额定电流为50 mA)；
D．蓄电池E(电动势略小于3 V，内阻不计)；
E．多用电表；
F．开关S1、S2，导线若干．
有一同学利用上面所给器材，进行如下实验操作．
(1)首先用多用电表进行粗测，选用“×100 Ω”倍率，操作方法正确．若这时刻度盘上的指针位置如图甲所示，则测量的结果是________Ω．
(2)为了更精确地测出此电压表的内阻，该同学设计了如图乙、丙所示的实验电路，你认为其中较合理的电路图是________，理由是________________________．
乙 丙
(3)用你选择的电路进行实验时，用所测物理量的符号表示电压表的内阻，即RV＝________．
[答案] Ⅰ．甲 或 (每空3分)
Ⅱ．(1)3000 (3分)
(2)丙 图乙中电流表测量时的示数太小，误差太大；图丙中R的阻值与电压表内阻接近，误差小 (每空2分)
(3)R (3分)
2．(17分)Ⅰ．某同学在做测定木块与木板间动摩擦因数的实验过程中，测滑动摩擦力时，他设计了两种实验方案．
方案一：木板固定在水平面上，用弹簧测力计水平拉动木块，如图甲所示．
方案二：用弹簧测力计水平地钩住木块，用力使木板在水平面上运动，如图乙所示．
甲 乙
除了实验必需的弹簧测力计、木块、木板、细线外，该同学还准备了若干重均为2.00 N的砝码．
(1)上述两种方案中，你认为更合理的方案是________(填“甲”或“乙”)，理由是：(回答两个理由)
①____________________________________________；
②____________________________________________．
(2)该同学在木块上加砝码，改变木块对木板的压力，记录了5组实验数据，如下表所示．
实验次序 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
砝码个数 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
砝码对木块 的压力/N | 0 | 2.00 | 4.00 | 6.00 | 8.00 |
测力计示 数/N | 1.50 | 2.00 | 2.50 | 2.95 | 3.50 |
木块受到的 摩擦力/N | 1.50 | 2.00 | 2.50 | 2.95 | 3.50 |
请根据上述数据，在坐标纸上作出木块受到的摩擦力f和砝码对木块的压力F的关系图象(以F为横坐标)．由图象可知，木块重为________N；木块与木板间的动摩擦因数为________．
Ⅱ．现有一块灵敏电流表，量程为200 μA，内阻约为1000 Ω，要精确测出其内阻R1，提供的器材有：
电流表(量程为1 mA，内阻R2＝50 Ω)；
电压表(量程为3 V，内阻RV约为3 kΩ)；
滑动变阻器R(阻值范围为0～20 Ω)；
定值电阻R0(阻值R0＝100
Ω)；
电源E(电动势约为4.5 V，内阻很小)；
单刀单掷开关S一个，导线若干．
(1)请将上述器材全部用上，设计出合理的、便于多次测量的实验电路图，并保证各电表的示数超过其量程的．将电路图画在下面的虚框中．
(2)在所测量的数据中选一组，用测量量和已知量来计算表的内阻，表达式为R1＝________，表达式中各符号表示的意义是________________________．
[答案] Ⅰ．(1)乙 ①乙方案测力计静止，读数误差小 ②乙方案木板可的不做匀速运动，便于控制 (每空1分)
(2)如图甲所示 (1分) 6.00 (2分) 0.25 (2分)
Ⅱ．(1)如图乙所示 (5分)(供电部分用分压电路给1分；测量部分知道把表改装且正确给2分；知道将表当保护电阻使用给2分)
(2) (3分) I2表示表的示数，I1表示表的示数，R2表示表内阻，R0表示定值电阻 (1分)
